本文旨在研究保德区块煤储层渗透率动态变化特征,通过实验研究与理论分析相结合,以保德区块煤储层为研究对象,实验研究了有效应力效应单因素对煤储层渗透率的影响,基质收缩效应单因素对煤储层应变的影响,滑脱效应单因素对煤储层渗透率的影响以及在三大效应综合影响下,煤储层渗透率及应变变化特征。在分析已有煤储层渗透率数学模型及相应模型假设条件的基础上,提出了符合保德区块煤储层应变特征的假设条件,进而建立了适合保德区块煤储层的渗透率数学模型。在本文所建立的模型基础之上,完成了模型敏感性分析,实现了模型向多组分气体及井控范围内渗透率数学模型的拓展,并由此分析了井控范围内,煤层渗透率的动态变化特征。一、有效应力效应、基质收缩效应、滑脱效应对保德区块煤储层渗透率及应变影响特性分析煤储层排采过程中,储层渗透率受有效应力效应、基质收缩效应、滑脱效应的影响,煤储层渗透率随孔隙压力变化而改变。为了掌握三大效应对保德区块煤储层渗透率、应变影响特性,同时为后续煤储层渗透率数学模型建立提供理论及数据支撑,分别研究了有效应力效应、基质收缩效应、滑脱效应单因素作用下的煤储层渗透率及应变变化特征。对于有效应力效应单因素对煤储层渗透率影响的实验研究,采用了选择非吸附性气体作为实验气体介质,控制孔隙压力变化范围的方式,从实验操作上消除了基质收缩效应、滑脱效应对煤储层渗透率的影响,分析了有效应力效应单因素影响下,煤储层渗透率变化规律;煤岩的应力敏感性特征;煤岩割理压缩系数变化特征。研究表明,有效应力与煤储层渗透率呈现负指数函数变化规律;煤储层渗透率应力敏感性随有效应力的增加而降低,即实际排采后期,有效应力效应对煤储层渗透率的影响效果减弱;煤岩割理压缩系数与有效应力呈负相关关系,且只有在高有效应力阶段,煤岩割理压缩系数可近似视为常数。对于基质收缩效应单因素对煤储层应变影响的实验研究,由于滑脱效应不会造成煤岩形变,因此选用了CO2作为气体介质,通过调整围压的方式,消除了有效应力对煤岩应变影响,分析了基质收缩效应单因素影响下煤储层应变特征,并确定了煤储层兰氏体积应变及兰氏压力,为后续煤储层渗透率数学模型提供模型参数。研究表明:孔隙压力下降,导致煤岩基质收缩应变量增加,基质收缩效应对煤储层渗透率改善作用逐渐增强;煤岩兰氏应变平均为0.010631,兰氏压力平均为3.92MPa。对于滑脱效应单因素对煤储层渗透率影响的实验研究,通过设定孔隙压力范围,调整围压,采用非吸附性气体介质的方式,实验了消除有效应力效应、基质收缩效应的影响,实验验证了煤储层中,滑脱效应的存在性,分析了滑脱效应对煤储层渗透率的影响,分析了围压、孔隙压力对煤储层滑脱效应的影响,确定了保德区块煤岩滑脱系数。研究表明:围压越高、孔隙压力越低,煤岩中滑脱效应越发明显,在实验条件下,滑脱效应对煤岩渗透率贡献率较大;相同条件下,不同气体滑脱系数从大到小依次为,氦气、甲烷、二氧化碳。二、保德区块煤储层渗透率数学模型建立通过理论分析与实验数据分析,系统的论证了已有渗透率数学模型假设条件的合理性,提出了对于煤储层渗透率数学模型的建立,不应当假设煤层水平或体积应变为零,应当认为水平及体积应变的客观存在。同时假设:1)煤储层水平方向主应变相等,煤基质颗粒具有不可压缩性,同一煤层煤岩力学性质具有各向同性;2)煤层处于水平分布状态,不受构造应力的影响,煤层所承受的应力即为上覆岩层自重引起,煤层垂向应力稳定,水平主应力相等;3)排采过程中,煤储层温度恒定,煤岩渗透率取决于割理系统,不考虑气体解吸及扩散速率的影响。在此基础之上,以非恒温多孔弹性介质应力—应变本构模型为基础,结合煤岩水平应变模型,建立了考虑不同因素及储层条件的储层渗透率数学模型,包括不考虑滑脱效应影响的饱和、欠饱和煤储层渗透率数学模型;考虑滑脱效应影响的饱和、欠饱和煤储层渗透率数学模型。在模型分析的基础上,定义了煤储层恢复压力及反弹压力,由此,依据煤储层渗透率变化特征将煤储层渗透率变化类型划分为三大类型即渗透率反弹型、渗透率衰减型、渗透率改善型,其中渗透率反弹型亦可下分为Ⅰ类渗透率反弹型,Ⅱ类渗透率反弹型。三、煤储层渗透率数学模型分析与拓展本文对所建立的煤储层渗透率数学模型进行了参数敏感性分析,分析表明储层压力、割理压缩系数、兰氏压力与煤储层渗透率呈负相关关系,兰氏体积、杨氏模量、泊松比、滑脱系数与煤储层渗透率呈正相关关系。由于煤层气并非单一组分气体,而是多组分气体的混合物,其吸附特性对煤岩基质应变特性的影响与单一组分气体存在差异,本文将单一组分气体的煤储层渗透率数学模型拓展为适用于多组分气体运移的渗透率数学模型。以所建渗透率数学模型为基础,研究了井控范围内煤储层渗透率的平面分布特征,研究表明煤层气排采过程中,井控范围内存在储层渗透率改善区及渗透率衰减区。且随着井底压力的下降,渗透率改善区的半径逐渐扩大,改善区内渗透率上升幅度加大;而对于渗透率衰减区,当井底压力降低,渗透率衰减区内渗透率下降幅度增加。随着排采的进行,井控范围会逐渐扩大,煤储层渗透率衰减区内储层渗透率衰减幅度增加。四、煤储层应力应变与渗透率耦合关系为了对所建立的煤储层数学模型的合理性进行验证,同时研究有效应力效应、基质收缩效应和滑脱效应综合影响下煤储层应力-应变与渗透率耦合关系,本文物理模拟了三大效应综合影响下,煤储层渗透率及应变变化,同时分析了在综合影响下,有效应力效应与基质收缩效应对煤体变形影响的特性。研究表明,三大效应综合作用下,煤储层渗透率,随孔隙压力的降低,呈现先减小后增加的趋势,且围压越大,煤储层渗透率的变化幅度越小;以往研究成果表明,在煤储层排采后期,出现了以滑脱效应为主导的渗透率变化阶段,但本次实验结果显示,在排采后期,滑脱效应起到了改善渗透率的作用,可仅仅存在有效应力效应为主导作用及基质收缩效应为主导作用的渗透率变化阶段;围压对煤储层渗透率起决定作用,三大效应对煤储层渗透率的影响只是在此基础上的有限调整,且围压越大,三大效应对煤储层渗透率的影响效果越弱;煤岩应变特性显示,低围压条件下,存在径向与体积的膨胀应变,随着有效应力的增加,应变性质逐渐转变为压缩应变,高围压条件下,各项应变均为压缩应变;由于煤储层埋深较浅,其水平与垂向应变的差异性较大,且随着排采的进行,差异性越大。以保德区块煤储层参数作为模型参数,选用考虑滑脱效应影响的饱和煤储层渗透率数学模型预测了实验条件下保德区块煤储层渗透率,并与实验数据相对比,结果显示,本文所建立的渗透率数学模型对保德区块煤储层渗透率的预测具有较高的准确性,且更加适用于高孔隙压力范围内煤储层渗透率的预测。